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고정점 후보와 실제 수렴값을 구분하는 수열 풀이

오답 선택지를 비교하던 학생은 점화식의 고정점 방정식에서 얻은 모든 근을 극한이라고 판단했다. 하지만 고정점은 극한의 후보일 뿐, 실제 수열이 그 값으로 수렴하는지는 초기값과 수열의 범위·증감을 따로 확인해야 한다.

하나의 점화식에서 출발하기

다음 수열을 보자.

a1 = x,   an+1 = an2

수열이 수렴하여 극한이 L이라면 점화식에 극한을 대입하여

L = L2

을 얻는다. 따라서

L(L - 1) = 0

이므로 고정점 후보는 L=0, 1이다.

후보가 모두 실제 극한은 아닌 이유

고정점 방정식은 수열이 수렴할 때 극한이 만족해야 할 조건이다. 반대로 고정점이라는 이유만으로 모든 초기값의 수열이 그 점에 수렴한다고 할 수는 없다.

초기값 수열의 성질 극한
0<x<1 0<an+1<an 0
x=1 모든 항이 1 1
x>1 an+1>an>1 수렴하지 않음

범위와 증감으로 후보를 판정하기

0<x<1인 경우

처음 항이 0과 1 사이이면 제곱할 때 값이 작아지므로

0<an+1<an<1

이 성립한다. 따라서 수열은 감소하고 0 이상으로 아래에서 제한된다. 그러므로 수렴하며, 극한은 고정점 후보 중 범위에 맞는 0이다.

x=1인 경우

a1=1이면 모든 항이 1이므로 극한은 1이다. 1은 실제로 수열이 도달하는 고정점이다.

x>1인 경우

x가 1보다 크면 an+1=an2>an이므로 항들이 계속 커진다. 특히 an>1이 유지되므로 유한한 실수로 수렴할 수 없다.

예를 들어 x=2이면 an=22n-1이 되어 무한히 커진다. 이때 고정점 0과 1은 방정식의 해이지만, 이 수열의 극한은 아니다.

최종 검산

고정점 후보를 구한 뒤에는 반드시 다음 순서로 확인한다.

  1. 초기값으로부터 수열의 범위를 정한다.
  2. 수열이 증가 또는 감소하는지 판단한다.
  3. 수렴 여부를 확인한다.
  4. 후보 중 실제 범위와 일치하는 값을 선택한다.

따라서 이 문제에서 “극한의 후보”는 0과 1이지만, 초기값에 따라 결과가 달라진다. 0<x<1이면 극한은 0, x=1이면 극한은 1이며, x>1이면 수열은 수렴하지 않는다.

서부신시가지과외에서도 이런 유형은 고정점 방정식만 계산하지 않고, 초기값에 따른 범위와 증감을 함께 검토하는 방식으로 풀이를 교정한다.

서부신시가지 고2수학과외 학부모 후기

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★★★★★학부모 후기

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★★★★★학부모 후기

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★★★★☆학부모 후기

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★★★★★학부모 후기

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★★★★★학부모 후기